JP3585374B2 - Semiconductor storage device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリセルの電荷蓄積キャパシタの容量絶縁膜に強誘電体を用いた半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在の代表的な半導体メモリ装置はダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)であるが、最近になってそのDRAMメモリセルの電荷蓄積キャパシタの絶縁膜に強誘電体を使った強誘電体メモリ装置(FeRAM)なるものが開発された。このメモリ装置は、DRAMが揮発性メモリであるのに対し、外部電界を取り去っても分極が残る強誘電体特有の性質によって、不揮発性メモリとして使用できる。また、既存の書換可能な不揮発性メモリ装置に対しても、消費電力が少なく書換速度が早いなどの優れた特性を有している。そのため次世代の主力メモリ装置として関心が高まっている。
【0003】
図8(a)はDRAMおよびFeRAMのメモリセルキャパシタの電圧−電荷量特性図であり、横軸にキャパシタ両電極間の電圧V、縦軸にキャパシタの電極に蓄えられる電荷量Qをとってある。なお、電圧の向きと分極の向きは、図8(b)に示すように、上から下方向へ向かう向きを正とする。
キャパシタに蓄えられる電荷量Qはキャパシタ容量Cとキャパシタ電極間の電圧Vとの積で求められるが、常誘電体を絶縁膜に用いたDRAMメモリセルのキャパシタ(常誘電体キャパシタ)では、容量Cはキャパシタ固有ものであり、一定の値をとる。また、電圧Vが0ボルトの時は電荷量Qも0クーロンである。図8(a)の直線▲1▼で示す特性がその例である。これに対し、強誘電体を絶縁膜に用いたFeRAMメモリセルのキャパシタ(強誘電体キャパシタ)では、容量Cは電圧Vの値および履歴によって変化し、電圧Vが0ボルトの時の電荷量Qも電圧Vの履歴によって変化する。図8(a)の曲線▲2▼で示す特性がその例である。
【0004】
以下、図8(a)の曲線▲2▼で表される強誘電体キャパシタの電圧−電荷量特性について詳しく説明する。
初期状態として、強誘電体キャパシタは1度も電界がかけられておらず、分極も発生していない図中のO点で示す状態にあるとする。キャパシタの両極板間の電圧Vが増加するにつれて電極に発生する電荷量Qは曲線O−Aの経路をたどって増加し、A点の状態へと変化する。A点ではキャパシタの両極板間に電圧がかかっており、その電圧のため極板には電荷が、強誘電体内には分極が発生している。次に、電圧Vを減少させ0にすると、キャパシタの状態は曲線A−Bの経路をたどってB点の状態へ変化する。B点ではキャパシタの両極板間の電圧Vは0であるが、強誘電体内ではA点で発生していた分極が残っているため(残留分極)、その分極によって極板には電荷が発生している。さらに、負の方向へ電圧Vをかけた場合、キャパシタの状態は曲線B−Cの経路をたどってC点の状態へ変化する。このC点ではA点とは逆向きの電圧が極板間にかかっており、Aとは逆極性の電荷が極板に、逆向きの分極が強誘電体内に発生している。さらに、電圧Vを0に戻せば曲線C−Dの経路をたどってD点の状態へ変化し、このD点では、強誘電体内にはC点で発生していた分極が残っており、極板にはB点とは逆極性の電荷が発生している。さらに、再び正の電圧をかけた場合は、曲線D−Aの経路をたどってA点の状態へと変化する。
【0005】
以上のような特性を持つ強誘電体キャパシタをFeRAMの半導体記憶装置として応用する1つの方法を図9に示す。図9(a)は図8(a)と同じく強誘電体キャパシタの電圧−電荷量特性図であるが、図9(b)と(c)に示すメモリセルに応用した場合に、データをビット線に読み出すときに起こるキャパシタの状態変化を示したものである。ここで、図9(b)のメモリセルと図9(c)のメモリセルとは異なるデータが書き込まれている。なお、図9(b),(c)において、1はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、2はNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、3はワード線、4はセルプレート、5はビット線、6はビット線5の浮遊容量であり、強誘電体キャパシタ1内にある分極の向きは図8(b)と同じ様にとってある。以下、FeRAMのデータ記憶の原理について、図9(a),(b),(c)を用いて説明する。
【0006】
図9(b)のメモリセルの強誘電体キャパシタ1には正方向に電圧をかけた場合の残留分極が発生しており、その状態は図9(a)のB点で表される。また、図9(c)のメモリセルの強誘電体キャパシタ1には負方向に電圧をかけた場合の残留分極が発生しており、その状態は図9(a)のD点で表される。
図9(b),(c)で示されるメモリセルからデータを読み出す場合は、まずビット線5の電位BLをグランドレベルにプリチャージしておき、次にワード線3の電位WLを上げてアクセス用トランジスタ2をオンさせ、セルプレート4の電位CPをVBCまで上げる。すると、強誘電体キャパシタ1には負方向の電圧がかかり、図9(a)のC点の状態へ向けて変化する。ただし、強誘電体キャパシタ1にかかる電圧は、VBCをビット線5の浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1とで容量分割することによって決まるため、図8(a)での説明とは異なり、C点までの途中で強誘電体キャパシタ1の状態変化は止まる。すなわち、図9(a)のB点の状態にあった場合は、曲線B−C上のE点まで変化し、その時にビット線5に発生する電位はV1 である。一方、D点の状態にあった場合は、曲線D−C上のF点まで変化し、その時のビット線5の電位はV0 である。この時のビット線電位の関係はV1 >V0 である。すなわち、図9(b)の強誘電体キャパシタ1の状態をデータ「1」とすれば、ビット線5の電位はH(ハイ)レベルとなり、図9(c)の強誘電体キャパシタ1の状態をデータ「0」とすれば、ビット線5の電位はL(ロー)レベルとなる。
【0007】
以上のように、強誘電体キャパシタ1の分極の向きにデータを対応させて記憶し、メモリセルからビット線5にデータを読み出したときに、分極の向きによってビット線5に発生する電位が異なることを利用してデータ「1」と「0」を判別することがFeRAMのデータ記憶原理である。
図10はこれまで述べてきたFeRAMの動作原理を用いてデータを記憶する従来の1Tr−1C(1−Transistor 1−Capacitance)型半導体記憶装置の一例を示すメモリセル列の回路図である。図10において、1はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、2はメモリセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、3はワード線、4はセルプレート、5と7はビット線、9はリファレンスセル用の強誘電体キャパシタであり、強誘電体キャパシタ9の方が強誘電体キャパシタ1に比べ面積を大きくしてある。10はリファレンスセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、11はリファレンスワード線、12はリファレンスセルプレート、13と14はビット線5と7をグランド電位にプリチャージするためのNMOSトランジスタからなるプリチャージ用トランジスタで、15はその制御信号φb を供給する制御信号線である。16はビット線5と7の電位差を増幅する差動増幅器で、ここでは制御信号φs により活性・不活性を制御できるクロックドCMOSインバータ2個で構成されている。17はデータ線、19はビット線5とデータ線17とを接続するトランスファーゲートで、制御信号φt によってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。
【0008】
また、図11は図10の半導体記憶装置のデータ読みだし動作のタイミング図である。図11において、WL、CP、RWL、RCP、BL、/BLはそれぞれワード線3、セルプレート4、リファレンスワード線11、リファレンスセルプレート12、ビット線5、ビット線7の電位であり、φs 、φb はそれぞれ差動増幅器16、プリチャージ用トランジスタ13・14の制御信号のレベルである。
【0009】
この従来の半導体記憶装置でのデータの読み出し動作について、図10と図11を用いて説明する。
初期状態として、図10における各ノードは全てグランド電位にあり、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9にはデータ「0」が書き込まれているとする。まず、ワード線3とリファレンスワード線11の電位WL,RWLを上げてアクセス用トランジスタ2と10をオンさせ、セルプレート4とリファレンスセルプレート12の電位CP,RCPを上げる。すると、ビット線5の電位BLにはメモリセル用の強誘電体キャパシタ1の自発分極の向きによって異なる電位があらわれ、ビット線7の電位/BLにはデータ「1」とデータ「0」を読み出した時の電位の間にある一定の電位があらわれる。次に、制御信号φs をイネーブルにして差動増幅器16を活性化させ、ビット線7の電位/BLをリファレンスとして、ビット線5の電位BLを増幅する。増幅が終わった後に、制御信号φt をイネーブルにしてトランスファーゲート19をオンさせ、ビット線5の電位BLをデータ線17へ送る。以上がこの装置での読み出し動作である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体記憶装置では、メモリセルからビット線5に読み出された電位がH(ハイ)レベルであるかL(ロー)レベルであるかを判定する時に基準とする電位を、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9にメモリセル用の強誘電体キャパシタ1よりも面積の大きいキャパシタを用い、その強誘電体キャパシタ9にデータ「0」を書き込み、それをビット線7へ読み出すことで発生させるようにしているが、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9にメモリセル用の強誘電体キャパシタ1よりも面積の小さいキャパシタを用い、その強誘電体キャパシタ9にデータ「1」を書き込み、それをビット線7へ読み出すことで発生させるようにしてもよい。
【0011】
しかしながらいずれにしても、ちょうどHレベルとLレベルの中間電位を発生させるリファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9の面積を設計することや、設計通りに一定の特性を持ったリファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9を作製することは製造上のバラツキの問題により難しい。
また、メモリセル用の強誘電体キャパシタ1の特性やビット線容量においてもバラツキがあり、それらの要因が1Tr−1C動作のマージンを狭め、安定して動作する1Tr−1C型FeRAMデバイスの実現や高い歩留まりを達成することを困難にしている。
【0012】
また、強誘電体キャパシタ1,9の特性がデバイスの使用中のストレスなどによって変化するため、使用中にメモリセルからのHレベル、Lレベルの電位やリファレンスセルからのリファレンス電位が変動する現象が発生し、動作マージンを狭めるため信頼性の大きな問題となっている。
本発明の目的は、リファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、広い動作マージンにより安定して動作し、高い信頼性の得られるFeRAMである半導体記憶装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の半導体記憶装置は、強誘電体からなる容量絶縁膜を有する強誘電体キャパシタを用いたメモリセルと、メモリセルからデータ読み出し時にワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、第1のビット線と対をなす第2のビット線と、メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、動作条件を最適化するプリチャージ電位を、セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、電位供給回路と第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、データ読み出し時に第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて第1のビット線と第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、データ読み出し時において、セルプレートがワード線の活性化後、差動増幅器による増幅開始までの間に、セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする。
【0014】
この構成によれば、ビット線のプリチャージ電位をセルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位とし、メモリセルから第1のビット線へデータを読み出す際に、第2のビット線に保たれているプリチャージ電位をリファレンス電位として増幅するようにしているため、従来、リファレンス電位を発生させるために必要としていたリファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、その設計・製造上の問題を回避することができる。また、プリチャージ電位をリファレンス電位として用い、データが読み出されるビット線の電位がプリチャージ電位より高いか低いかということでデータを判別するため、メモリセル用の強誘電体キャパシタの特性やビット線容量のバラツキの影響は大幅に軽減され、使用中の強誘電体キャパシタ特性の変動に対しても同様である。したがって、広い動作マージンにより安定に動作し、高い信頼性を持ったFeRAMを実現できる。
さらに、異なるプリチャージ電位を供給する電位供給回路を選択できるため、P検時(拡散終了直後のウエハ状態でのデバイス検査時)のメモリセル用の強誘電体キャパシタ特性や、デバイス使用時の特性変動にあわせて最適なプリチャージ電位を選択することができ、動作条件を最適化してより安定して動作させることが可能である。
【0015】
請求項2記載の半導体記憶装置は、強誘電体からなる容量絶縁膜を有する強誘電体キャパシタを用いた第1および第2のメモリセルと、第1のメモリセルからデータ読み出し時に第1のワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、第1のビット線と対をなし第2のメモリセルからデータ読み出し時に第2のワード線の活性化によってデータが読み出される第2のビット線と、メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、動作条件を最適化するプリチャージ電位を、セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、電位供給回路と第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、第1のメモリセルからデータ読み出し時に第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて第1のビット線と第2のビット線との電位差を増幅し、第2のメモリセルからデータ読み出し時に第1のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて第1のビット線と第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、データ読み出し時において、セルプレートが第1または第2のワード線の活性化後、差動増幅器による増幅開始までの間に、セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする。
【0016】
この構成によれば、請求項1と同様の効果に加え、第1のメモリセルのデータは第1のビット線に読み出され、第2のメモリセルのデータは第2のビット線に読み出されるようにしているため、データを読み出すビット線とリファレンス電位に保つビット線とを交互に入れ換えることで、ビット線を有効に活用し、メモリセルブロック面積を縮小することが可能になる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1は本発明の第1の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図であり、1Tr−1C型FeRAMを示す。図1において、1はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、2はメモリセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、3はワード線、4はセルプレート、5と7はビット線(5は第1のビット線,7は第2のビット線)、16はビット線5と7の電位差を増幅する差動増幅器で、ここでは制御信号φs により活性・不活性を制御できるクロックドCMOSインバータ2個で構成されている。17はデータ線、19はビット線5とデータ線17とを接続するトランスファーゲートで、制御信号φt によってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。31、32はそれぞれビット線5、7と電位供給回路33とを接続するトランスファーゲートで、制御信号φm によってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。電位供給回路33は任意の電位を供給可能である。
【0019】
この実施の形態の半導体記憶装置は、図10に示される従来例におけるリファレンスセル用の強誘電体キャパシタ9およびそのアクセス用トランジスタ10等を無くし、対をなすビット線5と7にプリチャージ電位を供給するための電位供給回路33と、この電位供給回路33とそれぞれのビット線5、7とを導通・遮断するトランスファーゲート31、32とを設けている。また、電位供給回路33は、セルプレート4のLレベルとHレベルとの間の電位をプリチャージ電位としてビット線5と7に供給するようにしている。
【0020】
また、図2は図1の半導体記憶装置での第1のデータ読みだし動作のタイミング図であり、WL、CP、BL、/BLはそれぞれワード線3、セルプレート4、ビット線5、ビット線7の電位であり、φs 、φm はそれぞれ差動増幅器16、トランスファゲート31・32の制御信号のレベルである。この装置でのデータの読み出し動作について、図1と図2を用いて説明する。ここでは、セルプレート4のLレベルをグランドに、Hレベルを電源電圧にとって説明する。
【0021】
初期状態として、図1のトランスファゲート31と32はオン状態で、電位供給回路33によって、ビット線5と7はグランドレベルと電源電圧レベルの中間にある電位にプリチャージされており、その他のノードは全てグランド電位にあるとする。
まず、プリチャージ終了後、制御信号φm によりトランスファゲート31と32をオフ状態にして、ワード線3の電位WLを上げてアクセス用トランジスタ2をオンさせる。すると、強誘電体キャパシタ1に書き込まれていたデータに応じて、ビット線5から強誘電体キャパシタ1に電荷が移動し、ビット線5の電位BLが下がる。
【0022】
次に、セルプレート4の電位CPを上げると、強誘電体キャパシタ1からビット線5に、強誘電体キャパシタ1に書き込まれていたデータに応じた電荷の移動が起こり、ビット線5の電位BLは上がる。最終的にビット線5の電位BLは、強誘電体キャパシタ1にデータ「1」が書き込まれていた場合は、ビット線プリチャージ電位より高くなり、データ「0」が書き込まれていた場合は、ビット線プリチャージ電位より低くなる。その電位の変動を、制御信号φs をイネーブルにして差動増幅器16を活性化させ、ビット線7に保っていたプリチャージ電位(/BL)をリファレンス電位として増幅する。増幅が終わった後に、制御信号φt をイネーブルにしてトランスファーゲート19をオンさせ、ビット線5の電位BLをデータ線17へ送ることで読み出し動作が完了する。
【0023】
さらに、図3および図4を用いて上記データの読み出し動作の原理について説明する。図3は上記データの読み出し動作の原理を説明するための図である。なお、図3(a)、(b)、(c)において、6はビット線5の浮遊容量で、強誘電体キャパシタ1およびビット線浮遊容量6の電圧の向きは図8(b)と同じ様に上から下方向を正にとってある。図4はメモリセル用の強誘電体キャパシタ1の電圧−電荷量特性図であり、横軸にキャパシタ両電極間の電圧V、縦軸にキャパシタの電極に蓄えられる電荷量Qをとってある。この図4は図3(a)、(b)、(c)に示す読み出し動作をした場合に起こる強誘電体キャパシタ1の状態変化を示したものである。
【0024】
図3(a)はデータを読み出す直前の状態で、ビット線浮遊容量6は電位VB0でプリチャージされており、その電圧によって極板に電荷QB0が発生している。強誘電体キャパシタ1は図4のB点で示す状態にあり、極板間電圧Vは0であるが、強誘電体の残留分極によって、電荷QS0が発生している。ビット線浮遊容量6の値をCB 、強誘電体キャパシタ1の容量値をCS と置いた場合、CB は一定の値をとるが、CS は図4の電圧−電荷量特性を示す曲線上の位置によって異なる値を持つ。また、ビット線浮遊容量6の片方の極板はグランドに接続され、もう一方の極板はハイインピーダンス状態にある。強誘電体キャパシタ1の片方の極板はグランドレベルに保たれているセルプレート4に接続され、もう一方の極板はハイインピーダンス状態にある。
【0025】
この状態からワード線3の電位を上げ、アクセス用トランジスタ2をオンさせて、図3(b)のように、ビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1のハイインピーダンス状態にあった極板を電気的に接続すると、2つのキャパシタ(1,6)の電圧が極板間電圧が等しくなるまでビット線浮遊容量6から強誘電体キャパシタ1へ電荷が移動し、最終的にビット線浮遊容量6に電圧VB1と電荷QB1が、強誘電体キャパシタ1に電圧VS1と電荷QS1が発生して安定する。また、強誘電体キャパシタ1の状態は図4の曲線BGをたどってG点の状態に変化する。この安定状態でのビット線電位VB1を求めると、
電荷量保存の法則から、
QB0+QS0=QB1+QS1 (1)
また両キャパシタの電圧は等しいから、
VB1=VS1 (2)
キャパシタに蓄えられる電荷量は容量値と極板間電圧の積であるから、ビット線浮遊容量6の電荷量は、
QB0=CB ・VB0
QB1=CB ・VB1
となる。
【0026】
図4におけるB点からG点までの強誘電体キャパシタ1の状態変化を2点を結ぶ直線で近似し、その傾きをCS1とした場合、強誘電体キャパシタ1の電荷量QS1は、
QS1=CS1・VS1+QS0 (3)
これらを式(1)へ代入すると、
CB ・VB0+QS0=CB ・VB1+CS1・VS1+QS0
さらに、式(2)を代入して整理すると、
CB ・VB0=(CB +CS1)・VB1
よって、ビット線電位VB1は、
VB1={CB /(CB +CS1)}・VB0 (4)
となる。
【0027】
次に図3(c)のようにセルプレート4の電位CPを電源電位VD に上げると、今度は図3(b)の場合とは逆に強誘電体キャパシタ1からビット線浮遊容量6へ電荷が移動し、電圧VD をビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1の容量で容量分割した電圧VB2とVS2が発生して安定する。その時、ビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1にはそれぞれ電荷QB2とQS2が発生している。また、強誘電体キャパシタ1の状態は図4の曲線GHをたどってH点の状態に変化する。この安定状態でのビット線電位VB2を求めると、
電荷量保存の法則から、
QB0+QS0=QB2+QS2 (5)
また、ビット線浮遊容量6と強誘電体キャパシタ1の電圧の和が電圧VD になるので、
VB2−VS2=VD (6)
ビット線浮遊容量6の電荷量は、
QB0=CB ・VB0
QB2=CB ・VB2
となる。
【0028】
図4におけるG点からH点までの強誘電体キャパシタ1の状態変化を2点を結ぶ直線で近似し、その傾きをCS2、Q接片をQ2 とした場合、
その近似直線は、
Q=CS2・V+Q2
この近似直線はG点を通ることから、式(3)よりG点の電荷量Qと電圧Vの関係を求め代入すると、
CS1・VS1+QS0=CS2・VS1+Q2
変形すると、
(CS1−CS2)・VS1+QS0=Q2
したがって強誘電体キャパシタ1の電荷量は、
QS2=CS2・VS2+(CS1−CS2)・VS1+QS0 (7)
これらを式(5)へ代入すると、
CB ・VB0+QS0=CB ・VB2+CS2・VS2+(CS1−CS2)・VS1+QS0
式(6)を代入して整理すると、
CB ・VB0=(CB +CS2)・VB2−CS2・VD +(CS1−CS2)・VS1
さらに式(2)と式(4)より、VS1の値を代入すると、
となる。
【0029】
式(8)に示すように、図3(c)のビット線電位VB2は、プリチャージ電位VB0、セルプレート電位VD 、ビット線浮遊容量CB 、強誘電体キャパシタ1の近似容量CS1とCS2の関係で決定されるが、一般にCS1がCS2より小さい時にプリチャージ電位VB0より大きくなる傾向にある。強誘電体キャパシタ1が図4のB点にある場合はCS1<CS2なので、CB やVB0やVD を調整すればビット線電位VB2はプリチャージ電位VB0に比べ高くなる。端的に言えば、ビット線浮遊容量6から強誘電体キャパシタ1に電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に正方向の電圧がかかり、分極の変化が少ないため移動量は少ないが、強誘電体キャパシタ1からビット線浮遊容量6へ電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に負方向の電圧がかかり、分極の変化が大きいため移動量も多くなり、その差し引きの結果、ビット線5へ電荷が移動したことになり、ビット線5の電位が上がるのである。
【0030】
また、データを読み出す前の強誘電体キャパシタ1が図4のD点の状態にある場合も、ビット線電位VB2は同様にして求められるが、その場合はCS1>CS2なので、ビット線電位VB2はプリチャージ電位VB0に比べ低くなる。すなわち、ビット線浮遊容量6から強誘電体キャパシタ1に電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に正方向の電圧がかかり、分極の変化が大きいため移動量は多く、強誘電体キャパシタ1からビット線浮遊容量6へ電荷が移動するときは、強誘電体キャパシタ1に負方向の電圧がかかり、分極の変化が小さいため移動量は少なく、その差し引きの結果、強誘電体キャパシタ1へ電荷が移動したことになり、ビット線5の電位が下がるのである。
【0031】
以上の様な原理により、データ読み出し後のビット線5の電位が、データの種類によってプリチャージ電位より高くなったり低くなったりするので、プリチャージ電位をリファレンスとしたデータの判別が可能となるのである。
この実施の形態によれば、ビット線5と7のプリチャージ電位をセルプレート4のHレベルとLレベルとの間の電位とし、強誘電体キャパシタ1からビット線5へデータを読み出す際に、ビット線7に保たれているプリチャージ電位をリファレンス電位として増幅するようにしているため、従来、リファレンス電位を発生させるために必要としていたリファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、その設計・製造上の問題を回避することができる。また、プリチャージ電位をリファレンス電位として用い、データが読み出されるビット線5の電位がプリチャージ電位より高いか低いかということでデータを判別するため、メモリセル用の強誘電体キャパシタの特性やビット線容量のバラツキの影響は大幅に軽減され、使用中の強誘電体キャパシタ特性の変動に対しても同様である。したがって、広い動作マージンにより安定に動作し、高い信頼性を持った1Tr−1C型FeRAMを実現できる。
【0032】
なお、この実施の形態では、セルプレート4のLレベルをグランドに、Hレベルを電源電圧にとって説明したが、セルプレート4のLレベルをグランドレベル以下にとって動作させることも可能で、その場合、ビット線5と7のプリチャージ電位をグランドレベルにすることも可能であり、電位供給回路33を簡略化することができる。
【0033】
また、ワード線3のレベルを上げた時と、セルプレート4の電位を上げた時に、強誘電体キャパシタ1とビット線5の間で電荷の移動が発生するが、電荷の移動が止まり状態が安定する前に、セルプレート4の電位を上げることや、差動増幅器16を活性化させる動作も可能であり、アクセスタイムを短縮することができる。
【0034】
さらに、図5は図1の半導体記憶装置での第2のデータ読みだし動作のタイミング図である。この第2のデータ読みだし動作では、図2の第1のデータ読みだし動作タイミングに対し、セルプレート4の電位CPをHレベルに上げた後に、一度Lレベルに戻して再びHレベルに上げること以外は同じなので詳しい説明は割愛するが、このように、セルプレート4の電位CPの上げ下げを2回以上繰り返してから、差動増幅器16を活性化させる動作も可能である。
【0035】
〔第2の実施の形態〕
図6は本発明の第2の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図であり、1Tr−1C型FeRAMを示す。図6において、21はメモリセル用の強誘電体キャパシタ、22はメモリセルへアクセスするNMOSトランジスタからなるアクセス用トランジスタ、23はワード線、24はセルプレート、18はデータ線、20はビット線7とデータ線18を接続するトランスファーゲートで、制御信号φt2によってそれらの電気的導通・遮断を制御することができる。なお、ビット線5とデータ線17を接続するトランスファーゲート19は、ここでは制御信号φt1によって制御される。その他の構成要素は図1と同様なので詳しい説明は省略する。
【0036】
前述の第1の実施の形態では、全てのメモリセルにおいて、メモリセル用の強誘電体キャパシタ1のデータがアクセス用トランジスタ2を介してビット線5に読み出されるように構成されていたが、この第2の実施の形態では、ビット線5と対をなすビット線7にも強誘電体キャパシタ21からアクセス用トランジスタ22を介してデータが読み出されるように構成され、ビット線7にもトランスファーゲート20を介してデータ線18が接続されている。図6におけるビット線5にデータが読み出される強誘電体キャパシタ1を第1のメモリセルとし、ビット線7にデータが読み出される強誘電体キャパシタ21を第2のメモリセルとすると、メモリセルアレイを構成するそれぞれのメモリセル列内に第1のメモリセルと第2のメモリセルとを設けてあれば、第1のメモリセルと第2のメモリセルとの配置に特に制限はない。
【0037】
この構成では、ワード線3と23、セルプレート4と24、トランスファゲート19と20について、動作させる側を選択する以外は第1の実施の形態と同じ動作なのでその説明は省略する。また、トランスファゲート19と20は異なる信号φt1,φt2によって制御するため、データを読み出したビット線の側だけデータ線に接続することが可能であるが、2つのトランスファゲート19と20を両方ともオンして、2本のビット線5・7をそれぞれデータ線17・18に接続しても問題は無い。
【0038】
この実施の形態によれば、対をなすビット線5・7のそれぞれにアクセス用トランジスタ2・22を介してメモリセルの強誘電体キャパシタ1・21を接続し、データを読み出すビット線とリファレンス電位に保つビット線を交互に入れ換えることで、ビット線を有効に活用し、第1の実施の形態に比べ、メモリセルブロック面積を縮小することが可能である。すなわち、第1の実施の形態では、データを読み出すビット線5に対をなすリファレンス電位用のビット線7が一本必要であるが、第2の実施の形態では、データを読み出さない側のビット線をリファレンス電位用として使用することで、リファレンス電位用のみに使用するビット線が無いため、同じビット数のリードに必要なビット線の数は第1の実施の形態の場合の1/2になる。
【0039】
また、セルプレート4とセルプレート24は共通化することが可能なので、さらにメモリセルブロックの面積を縮小することができる。
〔第3の実施の形態〕
図7は本発明の第3の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図であり、1Tr−1C型FeRAMを示す。図7において、41、42、・・・・・・、43は電位供給回路で、その電位は各回路毎に異なっている。44、45、・・・・・・、46はスイッチ素子であり、その他の構成要素は図6と同様なので詳しい説明は省略する。
【0040】
この実施の形態では、図6の電位供給回路33に代えて、それぞれ供給する電位の異なる複数の電位供給回路41,42,・・・・・・,43と、各電位供給回路41,42,・・・・・・,43を選択するためのスイッチ素子44,45,・・・・・・,46とを設けている。この構成により、スイッチ素子44,45,・・・・・・,46で電位供給回路41,42,・・・・・・,43のうちの1つを選択することにより、異なるビット線プリチャージ電位を選択することができる。その他の構成および動作は図6に示す第2の実施の形態と同じであり、説明を省略する。
この実施の形態によれば、第2の実施の形態と同様の効果が得られる他、それぞれ異なるビット線プリチャージ電位を供給する電位供給回路41,42,・・・・・・,43をスイッチ素子44,45,・・・・・・,46で選択できるため、P検時(拡散終了直後のウエハ状態でのデバイス検査時)のメモリセルキャパシタ特性や、デバイス使用時の特性変動にあわせて最適なビット線プリチャージ電位を選択することができ、動作条件を最適化してより安定して動作させることが可能である。
【0041】
また、第1の実施の形態においても、図1の電位供給回路33に代えて、複数の電位供給回路41,42,・・・・・・,43とスイッチ素子44,45,・・・・・・,46とを設けることにより、同様の効果を得ることができる。
なお、スイッチ素子44〜46に代えて、複数の電位供給回路41,42,・・・・・・,43を選択して切り替え接続可能な切り替え回路を設けてもよい。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、ビット線のプリチャージ電位をセルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位とし、メモリセルから対をなす一方のビット線へデータを読み出す際に、他方のビット線に保たれているプリチャージ電位をリファレンス電位として増幅するようにしているため、従来、リファレンス電位を発生させるために必要としていたリファレンスセル用の強誘電体キャパシタを無くし、その設計・製造上の問題を回避することができる。また、プリチャージ電位をリファレンス電位として用い、データが読み出されるビット線の電位がプリチャージ電位より高いか低いかということでデータを判別するため、メモリセル用の強誘電体キャパシタの特性やビット線容量のバラツキの影響は大幅に軽減され、使用中の強誘電体キャパシタ特性の変動に対しても同様である。したがって、広い動作マージンにより安定に動作し、高い信頼性を持ったFeRAMを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図2】第1の実施の形態の半導体記憶装置での第1のデータ読みだし動作のタイミング図。
【図3】第1の実施の形態におけるデータの読み出し動作の原理を説明するための図。
【図4】第1の実施の形態におけるデータの読み出し時の強誘電体キャパシタの状態変化を示す電圧−電荷量特性図。
【図5】第1の実施の形態の半導体記憶装置での第2のデータ読み出し動作のタイミング図。
【図6】本発明の第2の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図7】本発明の第3の実施の形態の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図8】FeRAMおよびDRAMのメモリセルキャパシタ電圧−電荷量特性(ヒステリシス特性)図。
【図9】従来の半導体記憶装置であるFeRAMのデータ読み出し時のメモリセルキャパシタ電圧−電荷量特性(ヒステリシス特性)および強誘電体キャパシタの状態変化を示す図。
【図10】従来の半導体記憶装置のメモリセル列の回路図。
【図11】従来の半導体記憶装置でのデータ読み出し動作タイミング図。
【符号の説明】
1,21 メモリセル用の強誘電体キャパシタ
2,22 アクセス用トランジスタ
3,23 ワード線
4,24 セルプレート
5,7 ビット線
16 差動増幅器
17,18 データ線
19,20 トランスファーゲート
31,32 トランスファーゲート
33,41,42,43 電位供給回路
44,45,46 スイッチ素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device using a ferroelectric for a capacitance insulating film of a charge storage capacitor of a memory cell.
[0002]
[Prior art]
A typical semiconductor memory device at present is a dynamic random access memory (DRAM), but recently, a ferroelectric memory device (FeRAM) using a ferroelectric material as an insulating film of a charge storage capacitor of the DRAM memory cell. Has been developed. This memory device can be used as a non-volatile memory due to the characteristic of a ferroelectric material, in which the polarization remains even when an external electric field is removed, while the DRAM is a volatile memory. In addition, existing rewritable nonvolatile memory devices have excellent characteristics such as low power consumption and high rewrite speed. For this reason, interest is increasing as a next-generation main memory device.
[0003]
FIG. 8A is a voltage-charge amount characteristic diagram of the memory cell capacitors of the DRAM and the FeRAM. The horizontal axis represents the voltage V between both electrodes of the capacitor, and the vertical axis represents the charge amount Q stored in the electrodes of the capacitor. . As shown in FIG. 8B, the direction of the voltage and the direction of the polarization are positive in the direction from top to bottom.
The amount of charge Q stored in the capacitor is obtained by the product of the capacitor capacitance C and the voltage V between the capacitor electrodes. In a capacitor of a DRAM memory cell using a paraelectric material as an insulating film (paraelectric capacitor), the capacitance C Is specific to the capacitor and takes a constant value. When the voltage V is 0 volt, the charge amount Q is also 0 coulomb. The characteristic shown by the straight line {circle around (1)} in FIG. 8A is an example. On the other hand, in a capacitor (ferroelectric capacitor) of a FeRAM memory cell using a ferroelectric as an insulating film, the capacitance C changes depending on the value and history of the voltage V, and the charge amount Q when the voltage V is 0 volt. Also changes depending on the history of the voltage V. The characteristic shown by the curve (2) in FIG. 8A is an example.
[0004]
Hereinafter, the voltage-charge amount characteristic of the ferroelectric capacitor represented by the curve (2) in FIG. 8A will be described in detail.
As an initial state, it is assumed that the ferroelectric capacitor is in a state indicated by a point O in the drawing where no electric field is applied and no polarization occurs. As the voltage V between the plates of the capacitor increases, the amount of charge Q generated at the electrodes increases along the path of the curve OA, and changes to the state at point A. At point A, a voltage is applied between the two electrode plates of the capacitor. Due to the voltage, electric charges are generated in the electrode plates and polarization occurs in the ferroelectric material. Next, when the voltage V is reduced to 0, the state of the capacitor changes to the state at the point B following the path of the curve AB. At point B, the voltage V between the two plates of the capacitor is 0, but since the polarization generated at point A remains in the ferroelectric material (residual polarization), charges are generated on the plates by the polarization. ing. Further, when the voltage V is applied in the negative direction, the state of the capacitor changes to the state at the point C following the path of the curve BC. At the point C, a voltage in the opposite direction to that of the point A is applied between the electrode plates, and a charge having a polarity opposite to that of the A is generated in the electrode plate and a polarization in the opposite direction is generated in the ferroelectric material. Further, when the voltage V is returned to 0, the state changes to the point D following the path of the curve CD. At the point D, the polarization generated at the point C remains in the ferroelectric material. A charge having a polarity opposite to that of the point B is generated on the plate. Further, when a positive voltage is applied again, the state changes to the state at the point A by following the path of the curve DA.
[0005]
FIG. 9 shows one method of applying a ferroelectric capacitor having the above characteristics as a semiconductor memory device of FeRAM. FIG. 9A is a voltage-charge amount characteristic diagram of the ferroelectric capacitor similarly to FIG. 8A, but when applied to the memory cells shown in FIGS. It shows a change in the state of the capacitor that occurs when reading out to a line. Here, different data is written in the memory cell of FIG. 9B and the memory cell of FIG. 9C. 9 (b) and 9 (c), 1 is a ferroelectric capacitor for a memory cell, 2 is an access transistor formed of an NMOS transistor, 3 is a word line, 4 is a cell plate, 5 is a bit line, 6 Is the floating capacitance of the
[0006]
Residual polarization occurs when a voltage is applied in the positive direction to the
When reading data from the memory cells shown in FIGS. 9B and 9C, first, the potential BL of the
[0007]
As described above, when data is stored in association with the direction of polarization of the
FIG. 10 is a circuit diagram of a memory cell column showing an example of a conventional 1Tr-1C (1-Transistor 1-Capacitance) type semiconductor memory device that stores data using the operation principle of the FeRAM described above. In FIG. 10, 1 is a ferroelectric capacitor for a memory cell, 2 is an access transistor formed of an NMOS transistor for accessing the memory cell, 3 is a word line, 4 is a cell plate, 5 and 7 are bit lines, and 9 is a reference. This is a ferroelectric capacitor for a cell. The area of the
[0008]
FIG. 11 is a timing chart of the data read operation of the semiconductor memory device of FIG. In FIG. 11, WL, CP, RWL, RCP, BL, and / BL are the potentials of the
[0009]
A data read operation in the conventional semiconductor memory device will be described with reference to FIGS.
In the initial state, all the nodes in FIG. 10 are at the ground potential, and it is assumed that data “0” is written in the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional semiconductor memory device, the potential used as a reference when determining whether the potential read from the memory cell to the
[0011]
However, in any case, it is possible to design the area of the
There are also variations in the characteristics and bit line capacitance of the
[0012]
In addition, since the characteristics of the
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device which is a FeRAM which operates stably with a wide operation margin and does not require a ferroelectric capacitor for a reference cell.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor memory device according to
[0014]
According to this configuration, the precharge potential of the bit line is set to a potential between the high level and the low level of the cell plate, and when data is read from the memory cell to the first bit line, the precharge potential is held on the second bit line. Since the dropped precharge potential is amplified as the reference potential, the ferroelectric capacitor for the reference cell, which was conventionally required to generate the reference potential, is eliminated, thereby avoiding design and manufacturing problems. can do. In addition, since the precharge potential is used as a reference potential and data is determined based on whether the potential of a bit line from which data is read is higher or lower than the precharge potential, the characteristics of a ferroelectric capacitor for a memory cell and the bit line The effect of the variation in capacitance is greatly reduced, and the same is applied to the fluctuation of the characteristics of the ferroelectric capacitor during use. Therefore, an FeRAM that operates stably with a wide operation margin and has high reliability can be realized.
Furthermore, since a potential supply circuit for supplying different precharge potentials can be selected, the ferroelectric capacitor characteristics for memory cells at the time of P detection (during device inspection in a wafer state immediately after the end of diffusion) and the characteristics at the time of device use An optimal precharge potential can be selected according to the fluctuation, and the operation conditions can be optimized to operate more stably.
[0015]
A semiconductor memory device according to
[0016]
According to this configuration, in addition to the same effect as the first aspect, the data of the first memory cell is read out to the first bit line, and the data of the second memory cell is read out to the second bit line. Thus, by alternately replacing the bit line for reading data and the bit line for maintaining the reference potential, it is possible to effectively use the bit line and reduce the memory cell block area.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention, and shows a 1Tr-1C FeRAM. In FIG. 1, 1 is a ferroelectric capacitor for a memory cell, 2 is an access transistor formed of an NMOS transistor for accessing the memory cell, 3 is a word line, 4 is a cell plate, 5 and 7 are bit lines (5 is a 1 is a bit line, 7 is a second bit line), 16 is a differential amplifier for amplifying the potential difference between the
[0019]
The semiconductor memory device of this embodiment eliminates the
[0020]
FIG. 2 is a timing chart of a first data read operation in the semiconductor memory device of FIG. 1, and WL, CP, BL, and / BL indicate a
[0021]
As an initial state, the
First, after the precharge is completed, the control signal φmThen, the
[0022]
Next, when the potential CP of the
[0023]
Further, the principle of the data read operation will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the data read operation. 3A, 3B, and 3C,
[0024]
FIG. 3A shows a state immediately before data is read out.B0Is charged in the electrode plate by the voltage.B0Has occurred. The
[0025]
From this state, the potential of the
From the law of conservation of charge,
QB0+ QS0= QB1+ QS1 (1)
Also, since the voltage of both capacitors is equal,
VB1= VS1 (2)
Since the amount of charge stored in the capacitor is the product of the capacitance value and the voltage between the plates, the amount of charge in the bit line
QB0= CB・ VB0
QB1= CB・ VB1
It becomes.
[0026]
The state change of the
QS1= CS1・ VS1+ QS0 (3)
Substituting these into equation (1) gives
CB・ VB0+ QS0= CB・ VB1+ CS1・ VS1+ QS0
Furthermore, rearranging by substituting equation (2),
CB・ VB0= (CB+ CS1) ・ VB1
Therefore, the bit line potential VB1Is
VB1= {CB/ (CB+ CS1)} ・ VB0 (4)
It becomes.
[0027]
Next, as shown in FIG. 3C, the potential CP of the
From the law of conservation of charge,
QB0+ QS0= QB2+ QS2 (5)
The sum of the voltages of the bit
VB2-VS2= VD (6)
The charge amount of the bit line
QB0= CB・ VB0
QB2= CB・ VB2
It becomes.
[0028]
The state change of the
The approximate straight line is
Q = CS2・ V + Q2
Since this approximation straight line passes through the point G, the relationship between the charge amount Q and the voltage V at the point G is obtained from Expression (3) and substituted.
CS1・ VS1+ QS0= CS2・ VS1+ Q2
When deformed,
(CS1-CS2) ・ VS1+ QS0= Q2
Therefore, the amount of charge of the
QS2= CS2・ VS2+ (CS1-CS2) ・ VS1+ QS0 (7)
Substituting these into equation (5) gives
CB・ VB0+ QS0= CB・ VB2+ CS2・ VS2+ (CS1-CS2) ・ VS1+ QS0
Substituting equation (6) and rearranging,
CB・ VB0= (CB+ CS2) ・ VB2-CS2・ VD+ (CS1-CS2) ・ VS1
Further, from equations (2) and (4), VS1Substituting the value of
It becomes.
[0029]
As shown in equation (8), the bit line potential V in FIG.B2Is the precharge potential VB0, Cell plate potential VD, Bit line stray capacitance CB, The approximate capacitance C of the
[0030]
Also, when the
[0031]
According to the principle as described above, the potential of the
According to this embodiment, when the precharge potential of the
[0032]
In this embodiment, the L level of the
[0033]
When the level of the
[0034]
FIG. 5 is a timing chart of the second data reading operation in the semiconductor memory device of FIG. In the second data reading operation, the potential CP of the
[0035]
[Second embodiment]
FIG. 6 is a circuit diagram of a memory cell column of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, and shows a 1Tr-1C type FeRAM. In FIG. 6,
[0036]
In the first embodiment described above, in all the memory cells, the data of the
[0037]
In this configuration, the operation of the
[0038]
According to this embodiment, the
[0039]
Further, since the
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention, and shows a 1Tr-1C type FeRAM. In FIG. 7,
[0040]
In this embodiment, instead of the
According to this embodiment, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and the
[0041]
Also, in the first embodiment, a plurality of
Note that, instead of the
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, the precharge potential of the bit line is set to a potential between the high level and the low level of the cell plate, and when data is read from the memory cell to one of the paired bit lines, the data is applied to the other bit line. Since the held precharge potential is amplified as the reference potential, the ferroelectric capacitor for the reference cell, which was conventionally required to generate the reference potential, is eliminated, and the design and manufacturing problems are eliminated. Can be avoided. In addition, since the precharge potential is used as a reference potential and data is determined based on whether the potential of a bit line from which data is read is higher or lower than the precharge potential, the characteristics of a ferroelectric capacitor for a memory cell and the bit line The effect of the variation in capacitance is greatly reduced, and the same is applied to the fluctuation of the characteristics of the ferroelectric capacitor during use. Therefore, an FeRAM that operates stably with a wide operation margin and has high reliability can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart of a first data reading operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment;
FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of a data read operation according to the first embodiment;
FIG. 4 is a voltage-charge amount characteristic diagram showing a state change of a ferroelectric capacitor at the time of reading data in the first embodiment.
FIG. 5 is a timing chart of a second data read operation in the semiconductor memory device according to the first embodiment;
FIG. 6 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of a memory cell column of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a voltage-charge amount characteristic (hysteresis characteristic) of a memory cell capacitor of a FeRAM and a DRAM.
FIG. 9 is a diagram showing a memory cell capacitor voltage-charge amount characteristic (hysteresis characteristic) and a state change of a ferroelectric capacitor when data is read from an FeRAM which is a conventional semiconductor memory device.
FIG. 10 is a circuit diagram of a memory cell column of a conventional semiconductor memory device.
FIG. 11 is a timing chart of a data read operation in a conventional semiconductor memory device.
[Explanation of symbols]
Ferroelectric capacitors for 1,21 memory cells
2,22 access transistor
3,23 word lines
4,24 cell plate
5, 7 bit line
16 Differential amplifier
17, 18 Data line
19,20 Transfer gate
31, 32 transfer gate
33, 41, 42, 43 Potential supply circuit
44, 45, 46 switch element
Claims (2)
前記メモリセルからデータ読み出し時にワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、
前記第1のビット線と対をなす第2のビット線と、
前記メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、
動作条件を最適化するプリチャージ電位を、前記セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、
前記電位供給回路と前記第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、
データ読み出し時に前記第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて前記第1のビット線と前記第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、
データ読み出し時において、前記セルプレートが前記ワード線の活性化後、前記差動増幅器による増幅開始までの間に、前記セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする半導体記憶装置。A memory cell using a ferroelectric capacitor having a capacitive insulating film made of a ferroelectric,
A first bit line from which data is read by activating a word line when reading data from the memory cell;
A second bit line paired with the first bit line;
A cell plate connected to one electrode of the ferroelectric capacitor of the memory cell and supplying a low-level potential and a high-level potential;
A plurality of potential supplies configured to be able to select and supply a precharge potential for optimizing an operation condition from a plurality of different precharge potentials between a high level and a low level of the cell plate. Circuit and
First and second transfer gates that conduct the potential supply circuit and the first bit line and the second bit line during a precharge period and cut off at the time of data reading;
A differential amplifier for amplifying a potential difference between the first bit line and the second bit line by using a precharge potential held on the second bit line as a reference potential during data reading;
At the time of data reading, a period in which the cell plate supplies a low-level potential and a period in which the cell plate supplies a high-level potential after the activation of the word line until the start of amplification by the differential amplifier. And a semiconductor memory device driven so that both exist.
前記第1のメモリセルからデータ読み出し時に第1のワード線の活性化によってデータが読み出される第1のビット線と、
前記第1のビット線と対をなし前記第2のメモリセルからデータ読み出し時に第2のワード線の活性化によってデータが読み出される第2のビット線と、
前記メモリセルの強誘電体キャパシタの一電極に接続され、ローレベルの電位およびハイレベルの電位を供給するセルプレートと、
動作条件を最適化するプリチャージ電位を、前記セルプレートのハイレベルとローレベルとの間の電位であってそれぞれ異なる複数のプリチャージ電位の中から選択して供給可能に構成した複数の電位供給回路と、
前記電位供給回路と前記第1のビット線および第2のビット線とをプリチャージ期間に導通し、データ読み出し時に遮断する第1および第2のトランスファーゲートと、
前記第1のメモリセルからデータ読み出し時に前記第2のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて前記第1のビット線と前記第2のビット線との電位差を増幅し、前記第2のメモリセルからデータ読み出し時に前記第1のビット線に保持されたプリチャージ電位をリファレンス電位として用いて前記第1のビット線と前記第2のビット線との電位差を増幅する差動増幅器とを備え、
データ読み出し時において、前記セルプレートが前記第1または第2のワード線の活性化後、前記差動増幅器による増幅開始までの間に、前記セルプレートがローレベルの電位を供給する期間とハイレベルの電位を供給する期間とが共に存在するように駆動されることを特徴とする半導体記憶装置。 First and second memory cells using a ferroelectric capacitor having a capacitor insulating film made of a ferroelectric;
A first bit line from which data is read by activating a first word line when reading data from the first memory cell;
A second bit line paired with the first bit line and reading data by activating a second word line when reading data from the second memory cell;
A cell plate connected to one electrode of the ferroelectric capacitor of the memory cell and supplying a low-level potential and a high-level potential;
A plurality of potential supplies configured to be able to select and supply a precharge potential for optimizing an operation condition from a plurality of different precharge potentials between a high level and a low level of the cell plate. Circuit and
First and second transfer gates that conduct the potential supply circuit and the first bit line and the second bit line during a precharge period and cut off at the time of data reading;
Amplifying a potential difference between the first bit line and the second bit line by using a precharge potential held on the second bit line as a reference potential when reading data from the first memory cell; A differential amplifier for amplifying a potential difference between the first bit line and the second bit line by using a precharge potential held on the first bit line as a reference potential when reading data from a second memory cell With
At the time of data reading, after the cell plate activates the first or second word line and before the amplification by the differential amplifier starts, a period during which the cell plate supplies a low level potential and a high level the semiconductor memory device, wherein a and duration for supplying a potential is driven to both present the.
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